能量回馈型同相供电系统的单相PWM整流器研究

摘要：针对能量回馈型同相供电系统中单相H—H功率单元的PWM整流器，提出了一种电压、电流前馈的双闭环控制策略。同时，针对大功率低开关频率应用场合，给出了一种调制方法，解决系统延时带来的控制性能下降问题。最后，基于数字信号处理器(DSP)与复杂可编程逻辑器件(CPLD)，构建了兆瓦级单相PWM整流器硬件装置。实验结果表明，系统运行稳定，动、静态性能符合指标要求。
关键词：整流器；能量回馈；控制策略；调制

1 引言
我国电气化铁路主要采用单相交流变压器供电方式，该供电方式存在负序、谐波、无功、电分相、供电效率低等问题，不仅对电力系统造成了严重影响，且随之产生的过电压现象严重影响了机车的正常运行，极大地制约了高速重载运输的实现。
近年来，提出的基于三相-单相电力电子变流器的新型同相供电系统，可从根本上解决上述问题。这里基于文献中新型同相供电装置拓扑结构，研究了该应用场合下的大功率单相PWM整流器控制系统的控制策略。
这里采用比例-积分(PI)和比例-谐振(PR)调节器构成双闭环控制系统，对单相PWM整流器的直流母线电压及输入电流进行控制，并给出了
一种异步采样方法，解决了传统的规则采样法在低开关频率下带来的控制系统滞后增大的问题。

2 同相供电装置拓扑结构
新型同相供电拓扑结构如图1所示。

图1中，新型同相供电装置由多个单相背靠背功率单元构成，每个功率单元输入侧连接一个三相工频多绕组变压器的次级绕组，输出侧采用多单元串联方式输出单相工频交流电压。该结构采用全电力电子变流方式，可从根本上解决目前铁路供电中存在的问题，同时实现单位功率因数电能回馈。
图1中每个功率单元拓扑结构如图2所示。

图2中，AC／DC／AC结构的功率单元由背靠背H桥组成。选择：IGCT作为开关器件，以适应大功率变流器要求。由于单相变流系统的瞬时功率存在二倍频波动，且功率单元输入、输出侧均为工频50 Hz，造成直流母线电压存在二倍频波动，如果不加以抑制，该波动将通过控制系统使网侧电流产生低次谐波。因此，该拓扑在直流母线电容旁并联了中心频率为100 Hz的LC带阻滤波电路，抑制直流母线二倍频波动。